模擬火災現場勘驗系統的開發與應用

張金專，鄧 亮，王力伯

(武警學院 a.消防工程系； b.訓練部，河北 廊坊 065000)

一、引言

火災現場勘驗是火災調查的關鍵環節，是現場勘驗人員依法運用科學方法和技術手段，對與火災有關的場所、物品、人身、尸體表面等進行勘查、驗證，查找、檢驗、鑒別的提取物證的活動[1]?；馂默F場勘驗是火災調查工作的重要組成部分，也是火災勘查專業教學、訓練的核心內容之一[2]。

目前火災調查教學、訓練的主要形式有：課堂理論教學、課堂案例討論，以及在實驗室制備火災現場開展現場勘驗訓練等。其中，在傳統火災調查課堂教學和相關科研工作經驗積累基礎上逐步拓展、總結形成的利用實驗室制備的火災現場開展現場勘驗訓練方式，作為提升火災調查能力的有效手段受到廣大學員的熱烈歡迎，為學員提供了一個將理論知識與實踐操作相結合的重要平臺。然而，利用實驗室制備的火災現場開展現場勘驗訓練，教學效果雖然良好，但也存在著諸多不足。如：場地和訓練器材等硬件要求標準高；訓練消耗多，經費保障壓力大；訓練效果評價困難等。受訓練場地、模擬火災次數、參加學員數量等諸多方面限制，還不能充分發揮訓練的效能。因此，有必要針對上述訓練方式的優缺點，探索一種新的現場勘驗訓練方式和平臺。

解決問題的思路是搭建虛擬仿真平臺[3]，利用虛擬現實技術開發基于實際火災現場的模擬現場勘驗系統[4]，把實際的火災現場重建于系統中，讓學生在計算機上對以實際火災現場為背景建立的虛擬現場進行勘驗，以達到理論與實際相結合的目的[5]。基于以上想法，以武警學院信息化建設為契機，筆者開發了一套模擬火災現場勘驗系統。

二、模擬火災現場勘驗系統的開發

(一)系統開發的目標

通過信息技術的深入應用，促進火災調查教學手段的信息化、教學方式的現代化，帶來教學形式和學習方式的重大變革，使理論學習的課堂、實踐演練的訓練場、分析操作的實驗室演變成沒有“硝煙”的“網上訓練場”和“實驗操作平臺”。將虛擬現實技術融入模擬火災現場勘驗教學活動中，通過三維虛擬現實引擎構建基于真實火災的仿真訓練場景，通過對真實火災案例調查環節訓練內容的設置，實現各種基本調查能力的模擬訓練。同時，融入模擬訓練操作考評體系，對學員模擬訓練操作進行自動考核評估，讓參與培訓和考核的教師、學員根據勘驗、詢問的規則在系統中完成各自任務，以達成培訓、考核目標。

(二)系統包含的功能模塊

三維場景模塊：基于實際火災現場，利用成熟的三維虛擬現實引擎平臺構建一個典型的虛擬的火災現場，真實再現火災現場的各種客觀痕跡。同時，根據火災現場操作及處置場景搭建需求，對典型區域及周邊的重點地形、地貌、地物進行三維建模。然后，把學員按照真實的地理位置放置在三維場景中，進行火災現場勘驗。

故事情節引導模塊：在仿真系統中設置必要的故事情節，創建不同類型的人物角色，引導學員在火災調查中開展調查尋訪工作，獲取火災線索和證據，一步一步地尋找答案。

模擬勘察與鑒定模塊：綜合運用三維模型、文字、圖片和聲音等實現方式，以一種沉浸感極強的角色扮演形式把火災勘驗、現場詢問、物證調查等活動準確地、直觀地展示給受訓學員。

訓練導調模塊：主要是完成演練任務設定、演練任務發布、訓練過程控制、分組和角色管理、跟蹤學員操作狀態、保存記錄和存取、突發事件設置、評分查詢和統計等功能。

培訓與考核模塊：系統集培訓、考核功能于一體，學員的每一步操作會被系統記錄下來，在考核完畢提交后，系統會給每位學員列出相關考核結果，從而有效提升培訓效果。

信息管理模塊：數據庫包括管理員、教員、學員基本信息，以及班級管理、權限管理、成績管理、考核管理等信息。各種信息采用標準化模板，進行系統的導入與導出。

(三)系統采用的技術手段

系統包含3DGIS技術、網絡技術、交互界面技術、三維建模技術、專業數據庫和專業軟件的集成。

3DGIS技術能夠基于地表衛星影像、航空影像創建高分辨率的地球場景，不需要數據預處理，能夠快速融合不同的、分布式的實時傳輸源數據快速構建實時三維交互式環境，集中體現虛擬現實和地理信息完美結合的優勢，通過三維交互方式來展示海量的三維場景和空間地理數據，讓一切虛擬火災現場勘驗活動具有了真實的時空背景。虛擬現實技術通過視、聽、觸覺等，實現身臨其境的交互式視景仿真效果，使學員與火災現場直接進行自然交互。通過虛擬現實技術在模擬火災現場勘驗系統中的應用，能使整個模擬火災現場勘驗過程可視化，使學員直接進入虛擬火災現場內部觀察事物內在變化，所勘察物體能夠進行全方位單獨展示和勘驗，并且不會破壞現場，這是在真實火場中很難做到的。學員通過角色扮演參與到火災現場勘驗中去，成為虛擬世界的一部分。

(四)系統的技術指標

系統數據庫指標：本系統的數據庫采用關系型數據庫，對管理員、教員、學員三者統一管理，教員與學員通過更改身份關鍵字可實現身份自由切換。為保證數據庫的安全性，采用庫外加密方式，待數據使用時，從庫中讀出密文，解密為可使用明文數據，保證可見性數據只存在于運行時內存中。

系統場景建模標準：通過3D Max完成建模，建模單位統一采用Meter，模型完整無裂縫。所有物證均進行精細化建模，一律采用三角形或四邊形建模，模型面數需大于1 000面，模型貼圖分辨率大于或等于300 ppi(retina級別)，真實還原火災現場的物證等。將生成的所有模型導出為FBX格式，通過Unity3D的可視化編輯功能，整合出整個火災案發場景。系統運行平臺為Windows 7及以上系統，通過物理渲染與Standard Shader的方式呈現火災場景。為保證畫面質量、畫面特效與運行效率，提升系統運行流暢度，對模型運用光照反射、漫反射、高光、投影、網格改變等多種特效，采用遮擋剔除、視錐體剔除、Drawcall優化算法、合并圖集、GC回收機制等優化手段。

系統服務器技術標準：系統服務器使用B/S架構，為管理員與教員提供訪問端，用來訪問服務器中的用戶數據?？蛇M行注冊信息修改、學員操作流程查看、學員操作流程評判等工作。服務端在工作完成以后進行一輪及以上的壓力測試，保證在網絡狀態良好情況下，網絡操作平均響應時間小于500 ms，網絡吞吐率達到3 000 req/s。系統載入時間與場景切換時間小于1 s，當大于1 s時需有Loading界面提示加載進度。按鈕點擊、物品拖拽、外設輸入等操作需實時響應，等待時間小于1 ms。在網絡狀態良好情況下，要求網絡操作平均響應時間小于100 ms，網絡吞吐率達到3 000 req/s。數據庫安全穩定，數據檢索時間需小于50 ms。

三、模擬火災現場勘驗系統的應用

(一)勘驗前的準備

進入系統后，點擊屏幕左上角“前期準備”，選擇要準備的勘驗裝備、工具和儀器。

在不同界面下，選擇出現場勘驗人員進入現場前應該穿戴的勘驗服裝、佩戴的個人防護裝備、勘驗用到的工具、現場檢測用到的儀器等。每次選擇完成后，在“當前任務”框內點擊“提交”，完成此項任務。

(二)環境勘驗

勘驗人員攜帶所需裝備進入火災現場，開始對火場進行環境勘驗。首先，點擊“環境勘驗”按鈕，進入環境勘驗界面，環境勘驗過程中，可完成“觀察外圍”“觀察現場主體”“設置現場保護范圍”“處置現場可能存在的危險”等多種操作。

勘驗人員進入現場后，可按住鍵盤上的“A”“S”“D”“W”四個鍵分別進行左、右、前、后移動，到所需位置進行外圍觀察。

現場勘驗人員進入火災現場內部前，履行火災現場保護法律程序，現場填寫封閉火災現場公告，并張貼在火災現場醒目位置。

在火場的外圍，勘驗人員可對整個火災現場從不同方位進行拍照。

(三)初步勘驗

環境勘驗結束后，勘驗人員進入火災現場內部，進行初步勘驗。點擊“初步勘驗”按鈕，顯示出初步勘驗可進行的操作有“測量內部平面布局”“觀察門窗入口情況”“標示內部火源電源”“標示內部可燃物”“標識蔓延路線”“圈定起火部位”等多項內容。

進入火災現場內部后，可點擊“觀察門窗入口情況”，移動至門、窗位置進行觀察。

初步勘驗最重要的工作是通過觀察火災蔓延痕跡，可在系統中標識火災蔓延路線，并最終確定起火部位，如圖1、圖2所示。

(四)細項勘驗

確定起火部位后，勘驗人員在起火部位處進行進一步勘驗，進入細項勘驗環節，具體內容有“觀察物品確定蔓延路線”“確定起火點”“提取物證”“損失統計調查”“使用儀器獲取數據”等多項操作。

圖1 標識火災蔓延路線

圖2 標識起火部位

通過確定起火點，在起火點處提取火源或可燃物物證，并對相關部位進行相應的儀器測量，為下一步的專項勘驗和進一步確定起火原因提供證據，如圖3所示。

圖3 確定起火點并進行儀器測量

(五)專項勘驗

專項勘驗主要是對在細項勘驗中提取的引火源、起火物等重要物證進行深入分析和鑒定，以期為最終起火原因的認定提供證據。在本系統中主要通過與前期開發的“火災物證鑒定仿真實驗系統”聯用，達到對關鍵物證進一步分析鑒定的目的。

四、結束語

“模擬火災現場勘驗系統”是為解決火災調查教學過程中學員不能到實際火災現場進行勘驗的難題，采用計算機仿真技術開發的一套仿真教學系統。該系統可完成實際火災現場勘驗訓練的大部分內容，既能滿足學員現場勘驗訓練需求，又能大幅度降低培訓時間和訓練費用，為火災調查實訓教學提供了一種新的教學模式。